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RÉSUMÉ
Cet article a pour objet la cryogénie, c’est-à-dire la production et l’utilisation de très basses températures. Différents moyens pour atteindre ces basses températures sont présentés, notamment la cascade de fluides judicieusement choisie, le cycle de Stirling avec l’air liquide, puis l’hélium liquide (fluide frigorigène souffrant de rareté). Sont ensuite abordés les principes de la désaimantation nucléaire, puis celui de la machine frigorifique magnétique, avant d’évoquer quelques perspectives sur ce sujet très loin d’être épuisé.
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Michel FEIDT : Ingénieur physicien de l’Institut national des sciences appliquées de Lyon - Docteur ès sciences - Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy)
INTRODUCTION
Cette étude s’intéresse tout particulièrement à la production et l’utilisation des très basses températures ; le domaine considéré est classiquement appelé cryogénie.
Les basses températures correspondantes (typiquement inférieures à – 100 oC) nécessitent soit de recourir à des techniques différentes de celles imposées dans les deux études précédentes Production de froid et revalorisation de la chaleur : principes généraux et Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières, soit de faire appel à de nouveaux principes physiques. Les deux approches sont examinées dans le présent document.
On remarquera ici que la revalorisation de la chaleur à haute température, qui est le pendant de la cryogénie, reste un domaine peu exploré, qui mériterait sans doute plus de considération ; ce sujet ne sera qu’évoqué ici, pour préserver la symétrie formelle.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1998 par Michel FEIDT
- Version courante de avr. 2018 par Michel FEIDT
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2. Cycles en cascade
L’utilisation d’un fluide frigorigène pur à changement de phase reste limité à l’intervalle de température compris entre la température du point critique pour laquelle la chaleur latente de transformation s’annule et la température du point triple en dessous de laquelle tout cyclage mécanique simple disparaît. Par ailleurs, ce même écart de température ferait apparaître de trop fortes contraintes techniques liées principalement, au volume du fluide en basse pression, à l’écart entre pression haute et basse, d’où corrélativement des irréversibilités amplifiées.
On utilise alors naturellement une cascade de fluides judicieusement choisie, pour, sous des pressions raisonnables, assurer des niveaux de température de plus en plus bas. La figure 1 présente le schéma de principe d’une telle installation dans le cas d’une cascade à deux étages. L’extension à un nombre supérieur d’étages se fait par itération.
La cascade à fluides multiples la plus ordinaire est indiquée ci-après. L’ordre de grandeur de la température d’ébullition à la pression atmosphérique (point normal d’ébullition) est indiqué entre parenthèses :
ammoniac NH3 (240 K), éthylène C2H4 (169 K), méthane CH4 (111 K), azote N2 (77 K), hydrogène H2 (20,3 K), hélium He (4,2 K)
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